DE202013103566U1 - Optical resonance scanner - Google Patents
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Abstract
Optische Scan-Vorrichtung (100), insbesondere optischer Resonanzscanner, mit einem federelastischen Biegeelement (10), welches über wenigstens einen stationären Magneten (9) und über wenigstens eine stationäre Antriebsspule (5) zu Schwingungen, insbesondere zu Drehschwingungen um eine Längsachse (A-A), anregbar ist, wobei die Antriebsspule (5) um einen Polschuh (20) gewickelt ist, welcher magnetisch mit dem Magneten (9) koppelt ist und zwei sich gegenüberliegende freie Enden (21, 22) aufweist, zwischen denen das Biegeelement (10) symmetrisch derart angeordnet ist, dass zwischen dem Biegeelement (10) und den freien Enden (21, 22) des Polschuhs (20) ein magnetischer Fluss im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (A-A) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (9) symmetrisch bezüglich der freien Enden (21, 22) des Polschuhs (20) derart angeordnet ist, dass der vom Magneten (9) erzeugte magnetische Fluss im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (A-A) mit dem Biegeelement (10) koppelt und sich in Überlagerung der magnet- und spuleninduzierten magnetischen Flüsse durch den Magneten (9) und eine erste Hälfte (23) des Polschuhs (20) ein erster magnetischer Kreis (30) und durch den Magneten (9) und eine zweite Hälfte (24) des Polschuhs (20) ein zweiter magnetischer Kreis (31) ausbilden, die zueinander gegensinnig in einer Ebene senkrecht zur Längsachse (A-A) durch einen magnetisierbaren Abschnitt (60) des Biegeelements (10) verlaufen.Optical scanning device (100), in particular optical resonance scanner, having a spring-elastic bending element (10) which vibrates via at least one stationary magnet (9) and via at least one stationary drive coil (5), in particular to torsional vibrations about a longitudinal axis (AA). , is excitable, wherein the drive coil (5) is wound around a pole piece (20) which is magnetically coupled to the magnet (9) and has two opposite free ends (21, 22) between which the bending element (10) is symmetrical is arranged such that between the flexure (10) and the free ends (21, 22) of the pole piece (20) a magnetic flux substantially perpendicular to the longitudinal axis (AA) is transferable, characterized in that the magnet (9) symmetrically with respect the free ends (21, 22) of the pole piece (20) is arranged such that the magnetic flux generated by the magnet (9) substantially perpendicular to the longitudinal axis (AA) with the bending element (10) coupled and in superposition of the magnet and coil-induced magnetic fluxes through the magnet (9) and a first half (23) of the pole piece (20), a first magnetic circuit (30) and by the magnet (9) and a second half (24) of the pole piece (20) form a second magnetic circuit (31) which run in opposite directions in a plane perpendicular to the longitudinal axis (AA) by a magnetizable portion (60) of the bending element (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine optische Scan-Vorrichtung, insbesondere einen optischen Resonanzscanner, mit einem federelastischen Biegeelement, welches über wenigstens einen stationären Magneten und über wenigstens eine stationäre Antriebsspule zu Schwingungen, insbesondere zu Drehschwingungen um eine Längsachse, anregbar ist, wobei die Antriebsspule um einen Polschuh gewickelt ist, welcher magnetisch mit dem Magneten gekoppelt ist und zwei sich gegenüberliegende freie Enden aufweist, zwischen denen das Biegeelement symmetrisch derart angeordnet ist, dass zwischen dem Biegeelement und den freien Enden des Polschuhs ein magnetischer Fluss im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse übertragbar ist.The invention relates to an optical scanning device, in particular an optical resonance scanner, with a resilient bending element which can be excited via at least one stationary magnet and at least one stationary drive coil to vibrations, in particular to torsional vibrations about a longitudinal axis, wherein the drive coil to a pole piece is wound, which is magnetically coupled to the magnet and having two opposing free ends, between which the flexure is arranged symmetrically such that between the flexure and the free ends of the pole piece, a magnetic flux is transmitted substantially perpendicular to the longitudinal axis.
Derartige optische Scan-Vorrichtungen finden zahlreiche verschiedene Applikationsmöglichkeiten, beispielsweise in Projektionssystemen, Druckmaschinen, optische Zielerfassungen und Entfernungsmessern, zur Ausleuchtung, Rasterbilderfassung, Datenerfassung oder in Barcode-Lesegeräten, sowie in anderen medizinischen, militärischen oder Konsumer-Anwendungen. Such optical scanning devices find many different application possibilities, for example in projection systems, printing presses, optical target detectors and range finders, for illumination, raster image acquisition, data acquisition or in barcode readers, as well as in other medical, military or consumer applications.
Zumeist weisen übliche optische Resonanzscanner mit magnetischem Antrieb entweder bewegliche Magneten oder bewegliche Schwingspulen als Komponenten eines elektromagnetischen Antriebs zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines oszillierenden Biegeelements auf. Nachteilig gestaltet sich dabei, dass das Biegeelement ein hohes Trägheitsmoment aufweist, da zumindest ein Teil der elektromagnetischen Antriebsteile mit dem Biegeelement mechanisch verbunden ist. Infolgedessen können derartige Scanner in der Regel nicht mit Frequenzen über 16 KHz betrieben werden, insbesondere wenn große Spiegeldurchmesser, große Scan-Winkel und/oder Spiegel von hoher Materialdicke eingesetzt werden.In most cases, conventional optical magnetic resonance scanners have either movable magnets or moving voice coils as components of an electromagnetic drive for generating and maintaining an oscillating bending element. The disadvantage here is that the bending element has a high moment of inertia, since at least part of the electromagnetic drive parts is mechanically connected to the bending element. As a result, such scanners generally can not operate at frequencies above 16KHz, especially when large mirror diameters, large scan angles, and / or high material thickness mirrors are employed.
Demgegenüber betrifft die vorliegende Erfindung solche optische Scanner, bei denen zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der Schwingbewegung weder bewegte Magneten noch bewegte Spulen, sondern ausschließlich stationäre Spulen und Magnete zum Einsatz kommen. In contrast, the present invention relates to such optical scanners, in which neither moving magnets nor moving coils, but only stationary coils and magnets are used for generating and maintaining the oscillatory motion.
Eine optische Scan-Vorrichtung der eingangs genannten Art mit stationären Spulen und stationären Magneten ist beispielsweise aus
Desweiteren treten bei den aus dem Stand der Technik bekannten Scannern, unabhängig ob mit oder ohne bewegte elektromagnetische Antriebsteile, Probleme im Hinblick auf die Schwingungsamplitude auf. So unterliegt die Auslenkung des Biegematerials bei nicht konstanten Temperaturverhältnissen in der Umgebung einem thermischen Gradienten, so dass eine konstante Auslenkung bzw. eine konstante Schwingungsamplitude über einen weiten Temperaturbereich nicht gewährleistet ist. Gleiches gilt für sich ändernde Ströme der Treiberelektronik, die ebenfalls zu einer nicht konstanten Auslenkung bzw. Schwingungsamplitude führen.Furthermore, in the known from the prior art scanners, regardless of whether with or without moving electromagnetic drive parts, problems with respect to the vibration amplitude on. Thus, the deflection of the bending material is subject to a thermal gradient at non-constant temperature conditions in the environment, so that a constant deflection or a constant oscillation amplitude over a wide temperature range is not guaranteed. The same applies to changing currents of the driver electronics, which also lead to a non-constant deflection or oscillation amplitude.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine optische Scan-Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Effizienz des Antriebs ohne überschüssige Wärmeerzeugung verbessert wird und gleichzeitig ein Betrieb mit Spiegeln großen Durchmessers und großer Dicke bei Frequenzen auch oberhalb von 16 kHz über große Scan-Winkel möglich ist. Vorzugsweise soll außerdem ein Betrieb mit konstanten Schwingungsamplituden ermöglicht werden.The object of the present invention is therefore to develop an optical scanning device of the type mentioned in that the efficiency of the drive without excess heat generation is improved while operating with mirrors of large diameter and large thickness at frequencies even above 16 kHz over large Scan angle is possible. Preferably also an operation with constant oscillation amplitudes should be made possible.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine optische Scan-Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by an optical scanning device according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Gemäß der Erfindung zeichnet sich die Scan-Vorrichtung dadurch aus, dass der Magnet symmetrisch bezüglich der freien Enden des Polschuhs derart angeordnet ist, dass der vom Magneten erzeugte magnetische Fluss im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse mit dem Biegeelement koppelt und sich in Überlagerung der magnet- und spuleninduzierten magnetischen Flüsse durch den Magneten und eine erste Hälfte des Polschuhs ein erster magnetischer Kreis und durch den Magneten und eine zweite Hälfte des Polschuhs ein zweiter magnetischer Kreis ausbilden, die zueinander gegensinnig in einer Ebene senkrecht zur Längsachse durch einen magnetisierbaren Abschnitt des Biegeelements verlaufen.According to the invention, the scanning device is characterized in that the magnet is arranged symmetrically with respect to the free ends of the pole piece such that the magnetic flux generated by the magnet coupled to the bending element substantially perpendicular to the longitudinal axis and in superposition of the magnetic and coil-induced magnetic fluxes through the magnet and a first half of the pole piece form a first magnetic circuit and through the magnet and a second half of the pole piece, a second magnetic circuit extending in opposite directions in a plane perpendicular to the longitudinal axis by a magnetizable portion of the bending element.
In erfindungsgemäßer Weise wurde erkannt, dass sich bei der aus
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Polschuhs und des Magneten relativ zum Biegeelement, insbesondere durch die koplanare Anordnung des ersten und zweiten Magnetkreises, sind die magnetischen Flusspfade und damit das Auftreten von Wirbelströmen deutlich minimiert. The inventive arrangement of the pole piece and the magnet relative to the bending element, in particular by the coplanar arrangement of the first and second magnetic circuit, the magnetic flux paths and thus the occurrence of eddy currents are significantly minimized.
Erfindungsgemäß weisen der erste und der zweite Magnetkreis einen gemeinsamen magnetischen Pfad durch den Magneten und teilweise durch das Biegeelement, d.h. durch den magnetisierbaren Abschnitt des Biegeelements, auf. In Letzterem teilen sich die beiden Kreise auf, verlaufen im Gegensinn über getrennte Pfade durch die erste bzw. zweite Hälfte des Polschuhs und werden sodann im Magneten wieder vereint. Dabei hängt der Verlauf der magnetischen Flüsse von der Polarität der Felder ab, die von der wenigstens einen Antriebsspule und dem Magneten erzeugt werden. According to the invention, the first and second magnetic circuits have a common magnetic path through the magnet and partly through the flexure, i. through the magnetizable portion of the flexure, on. In the latter, the two circles split, run in opposite directions through separate paths through the first and second half of the pole piece and are then reunited in the magnet. The course of the magnetic fluxes depends on the polarity of the fields generated by the at least one drive coil and the magnet.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch zusätzlich zur ersten Antriebsspule eine zweite Antriebsspule vorgesehen, wobei die erste Antriebsspule um die erste Hälfte des Polschuhs und die zweite Antriebsspule um die zweite Hälfte des Polschuhs gewickelt ist.According to a first advantageous embodiment of the invention, however, a second drive coil is provided in addition to the first drive coil, wherein the first drive coil is wound around the first half of the pole piece and the second drive coil to the second half of the pole piece.
Die sich allein aufgrund des magnetischen Flusses des Magneten ergebenden Magnetkreise sind aufgrund der symmetrischen Anordnung des Magneten relativ zu den beiden Hälften des Polschuhs und dem Biegeelement symmetrisch ausgebildet, werden jedoch unsymmetrisch, wenn an die erste und/oder die zweite Antriebsspule ein elektrisches Wechselstrom-Treibersignal, z.B. ein Rechtecksignal, anlegt wird. Hierdurch werden zusätzliche, spuleninduzierte magnetische Flüsse in einem oder beiden Magnetkreisen generiert, die den magnetischen Gesamtfluss periodisch wechselnd in dem einen Kreis verstärken und in dem anderen Kreis reduzieren. Die sich daraus ergebende Asymmetrie der magnetischen Kräfte zwischen dem durchflossenen magnetisierbaren Abschnitt des Biegeelements und den freien Enden des Polschuhs bewirkt auf das Biegeelement ein sich periodisch änderndes Drehmoment, infolge dessen das Biegeelement zu Schwingungen, insbesondere zu Drehschwingungen um seine Längsachse, angeregt wird. Dabei ist die Schwingungsfrequenz des Biegeelements direkt proportional zur Frequenz des Treibersignals.The magnetic circuits resulting solely from the magnetic flux of the magnet are symmetrical relative to the two halves of the pole piece and the flexure due to the symmetrical arrangement of the magnet but become unbalanced when an AC electric drive signal is applied to the first and / or second drive coils , eg a square wave signal is applied. As a result, additional, coil-induced magnetic fluxes are generated in one or both magnetic circuits, which amplify the total magnetic flux periodically changing in the one circle and reduce in the other circle. The resulting asymmetry of the magnetic forces between the magnetizable portion of the flexure and the free ends of the pole piece causes the flexure to undergo periodically varying torque, thereby causing the flexure to vibrate, particularly to torsional vibrations about its longitudinal axis. The oscillation frequency of the bending element is directly proportional to the frequency of the drive signal.
Zur Erzeugung der Asymmetrie mit zwei Spulen sind die erste und die zweite Antriebsspule entweder in entgegengesetzter Richtung gewickelt oder werden von phasenverschobenen, insbesondere gegenphasigen, Treibersignalen, angesteuert. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die erste und die zweite Antriebsspule in entgegengesetzter Richtung und mit gleicher Wicklungszahl gewickelt. Hierdurch lässt sich am einfachsten eine Asymmetrie bewirken. Desweiteren ist es vorteilhaft, die Anzahl der Windung für einen Betrieb bei höheren Treibersignal-Frequenzen zu reduzieren, da sich i. A. die elektrische Impedanz der Spulen mit steigender Frequenz nachteilig erhöht.To generate the asymmetry with two coils, the first and the second drive coil are either wound in the opposite direction or are driven by phase-shifted, in particular out-of-phase, drive signals. According to a preferred embodiment of the invention, the first and the second drive coil are wound in the opposite direction and with the same number of turns. This is the easiest way to cause an asymmetry. Furthermore, it is advantageous to reduce the number of turns for operation at higher drive signal frequencies since i. A. adversely increases the electrical impedance of the coils with increasing frequency.
Sofern die spuleninduzierten magnetischen Flüsse der ersten und zweiten Antriebsspule betragsmäßig gleich groß sind, jedoch entgegengesetzte Richtungsvektoren aufweisen, bleibt der magnetische Fluss im Magneten aufgrund seiner symmetrischen Anordnung zwischen den freien Enden des Polschuhs unverändert, da sich die spuleninduzierten Anteile des magnetischen Gesamtflusses im Magneten auslöschen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise verhindert, dass der Magnet durch die spuleninduzierten magnetischen Flüsse periodisch magnetisiert bzw. demagnetisiert wird und sich dadurch sein magnetischer Arbeitspunkt periodisch ändert. Vielmehr wird erreicht, dass die intrinsische magnetische Koerzitivfeldstärke keine irreversiblen Verluste erleidet, sondern auf konstantem Niveau aufrecht erhalten bleibt. Außerdem bleibt der Magnet bezüglich seiner Entmagnetisierungskurve stabil, wodurch eine Reduzierung der elektrischen Treibereffizienz vermieden wird. If the coil-induced magnetic fluxes of the first and second drive coils are equal in magnitude, but have opposite directional vectors, the magnetic flux in the magnet remains unchanged due to its symmetrical arrangement between the free ends of the pole piece, as the coil-induced portions of the total magnetic flux in the magnet cancel out. As a result, it is advantageously prevented that the magnet is periodically magnetized or demagnetized by the coil-induced magnetic fluxes and thereby changes its magnetic operating point periodically. Rather, it is achieved that the intrinsic magnetic coercive force does not suffer irreversible losses, but is maintained at a constant level. In addition, the magnet remains stable with respect to its demagnetization curve, thereby avoiding a reduction in the electric driving efficiency.
Ferner wird durch die erfindungsgemäße Scan-Vorrichtung erreicht, dass das Biegeelement im Gegensatz zu der aus
Um die sich allein aus dem magnetinduzierten Fluss ergebenden Symmetrie zwischen dem ersten und dem zweiten magnetischen Kreis zu erhalten, ist es nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Polschuh mit seiner ersten und zweiten Hälfte symmetrisch bezüglich einer Achse ausgebildet ist, welche senkrecht zur Längsachse des Biegeelements und symmetrisch durch den Magnet und dem magnetisierbaren Abschnitt des Biegeelements verläuft.In order to obtain the symmetry between the first and the second magnetic circuit resulting solely from the magnet-induced flux, it is provided according to a further advantageous embodiment of the invention that the pole piece is formed with its first and second halves symmetrical with respect to an axis which perpendicular to the longitudinal axis of the flexure and symmetrically through the magnet and the magnetizable portion of the flexure extends.
Desweiteren kann es vorgesehen sein, dass der Polschuh einstückig ausgebildet ist oder aus einem ersten Statorkern und einem davon separaten zweiten Statorkern besteht, welche die erste und die zweite Hälfte des Polschuhs bilden und vorzugsweise im Wesentlichen C-förmig ausgebildet sind. Vorzugsweise ist der Magnet symmetrisch zwischen beiden Statorkernen derart angeordnet, dass er beide Statorkerne miteinander verbindet. Alternativ können die beiden Statorkerne direkt aneinandergrenzen, wobei der Magnet im Angrenzungsbereich mit beiden Statorkernen magnetisch gekoppelt ist. Außerdem kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass der Polschuh im Wesentlichen rechteck-, O- oder D-förmig ausgebildet ist und zur Bildung der beiden freien Enden einen Unterbruch aufweist, in welchem der magnetisierbare Abschnitt des Biegeelements angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, dass die freien Enden des Polschuhs bzw. der ersten und zweiten Polschuhhälften bzw. der Statorkerne möglichst nahe an das Biegeelement heranreichen, so dass der magnetische Fluss zwischen dem Biegeelement und den Statorkernen maximal effizient und ohne Streuverluste koppelt. Desweiteren ist bevorzugt, dass die die freien Enden des Polschuhs bzw. der ersten und zweiten Polschuhhälften bzw. der Statorkerne einerseits und die Kanten des Biegeelements im magnetisierbaren Abschnitt andererseits abgeschrägt oder so geformt sind, dass sich eine weitgehende geometrische Überlappung zwischen den freien Enden und den angrenzenden Kanten bzw. Rändern des Biegeelementes ergibt.Furthermore, it can be provided that the pole piece is integrally formed or consists of a first stator core and a separate second stator core, which form the first and the second half of the pole piece and are preferably formed substantially C-shaped. Preferably, the magnet is arranged symmetrically between the two stator cores in such a way that it connects both stator cores together. Alternatively, the two stator cores can directly adjoin one another, the magnet being magnetically coupled in the abutment region with both stator cores. In addition, it may be provided in an advantageous manner that the pole piece is substantially rectangular, O or D-shaped and has an interruption to form the two free ends, in which the magnetizable portion of the bending element is arranged. This ensures that the free ends of the pole piece or of the first and second pole piece halves or the stator cores reach as closely as possible to the bending element, so that the magnetic flux between the bending element and the stator cores couples maximally efficiently and without scattering losses. Furthermore, it is preferred that the free ends of the pole piece and the first and second Polschuhhälften or the stator cores on the one hand and the edges of the bending element in the magnetizable portion bevelled or shaped so that a substantial geometric overlap between the free ends and the adjacent edges or edges of the bending element results.
Zur Unterstützung des magnetischen Flusses im ersten und zweiten Magnetkreis ist es nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Magnet und der Polschuh bzw. der Magnet und die beiden Hälften des Polschuhs über ein Rückflusselement magnetisch miteinander gekoppelt sind.To support the magnetic flux in the first and second magnetic circuits, it is provided according to a further advantageous embodiment of the invention that the magnet and the pole piece or the magnet and the two halves of the pole piece are magnetically coupled to one another via a reflux element.
Um eine möglichst verlustfreie Leitung des vom Magneten und den Antriebsspulen erzeugten magnetischen Flusses in den beiden Magnetkreisen zu erreichen, bestehen nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung das Rückflusselement, der Polschuh, der erste Statorkern und/oder der zweite Statorkern aus einem ferromagnetischen Material, gesintertem ferritischen oder ferromagnetischen Pulver und/oder einer Anordnung aus voneinander isolierten Lamellen ferromagnetischen Materials. Als ferromagnetische Materialien hoher Permeabilität kommen bevorzugt Edelstahl, Nickel-Kobalt, Eisen, insbesondere von Weicheisen, oder eine Kombination dieser Materialien in Betracht.In order to achieve a loss-less conduction of the magnetic flux generated by the magnet and the drive coils in the two magnetic circuits, according to a further advantageous embodiment, the return element, the pole piece, the first stator core and / or the second stator core of a ferromagnetic material, sintered ferritic or ferromagnetic powder and / or an arrangement of mutually insulated lamellae ferromagnetic material. As ferromagnetic materials of high permeability are preferably stainless steel, nickel-cobalt, iron, especially soft iron, or a combination of these materials into consideration.
Gesinterte Pulver oder laminierte ferromagnetischen Materialien zeichnen sich durch einen besonders geringen spezifischen Durchgangswiderstand und eine hohe Sättigungsflussdichte aus. Da sich die Wirbelströmung umgekehrt proportional zum spezifischen Durchgangswiderstand verhält, kann auf diese Weise die Erzeugung von Wirbelströmen deutlich vermindert und die Treibereffizienz effektiv gesteigert werden.Sintered powders or laminated ferromagnetic materials are characterized by a particularly low volume resistivity and a high saturation flux density. Since the turbulence behaves inversely proportional to the volume resistivity, the generation of eddy currents can be significantly reduced and the driving efficiency can be effectively increased in this way.
Bei der Verwendung von Lamellen-Stapeln aus ferromagnetischem Material beträgt die Dicke einer einzelnen Lamelle vorzugsweise etwa 0,02 mm bis etwa 0,15 mm und die Dicke des Gesamtstapels etwa 2 mm bis etwa 25 mm. Weiterhin ist bevorzugt, dass die einzelnen Lamellen durch dünne Schichten eines Isolationsmaterials, beispielsweise eines Isolationslacks oder dergleichen, voneinander getrennt sind.When laminar stacks of ferromagnetic material are used, the thickness of a single fin is preferably about 0.02 mm to about 0.15 mm and the thickness of the total stack is about 2 mm to about 25 mm. Furthermore, it is preferred that the individual lamellae are separated from one another by thin layers of an insulating material, for example an insulating lacquer or the like.
Um darüber hinaus die Kopplungseffizienz zu steigern bzw. die Streuverluste zu minimieren, ist es nach einer weiteren vorteilhaften Erfindung vorgesehen, zwischen dem magnetisierbaren Abschnitt und dem Magnet sowie den freien Enden des Polschuhs lediglich ein kleiner Luftspalt im Bereich von 0,5mm bis 1,5mm vorgesehen ist, der so gewählt ist, dass das Biegeelement zwischen dem Magnet und den freien Enden des Polschuhs kollisionsfrei oszillieren kann und von den magnetischen Flüssen maximal durchdrungen ist.Moreover, in order to increase the coupling efficiency or to minimize the leakage losses, it is provided according to a further advantageous invention, between the magnetizable portion and the magnet and the free ends of the pole piece only a small air gap in the range of 0.5mm to 1.5mm is provided, which is chosen so that the bending element between the magnet and the free ends of the pole piece can oscillate without collision and is penetrated by the magnetic fluxes maximum.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Biegeelement bezüglich seiner Längsachse an beiden Enden in je einer Endhalterung fixiert, welche vorzugsweise aus einem unmagnetischen Material bestehen können, da sie nicht zur Unterstützung des magnetischen Flusses beitragen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the bending element is fixed with respect to its longitudinal axis at both ends in a respective end holder, which may preferably consist of a non-magnetic material, since they do not contribute to the support of the magnetic flux.
Ferner kann eine Basisplatte aus einem vorzugsweise unmagnetischen Material vorgesehen sein, auf der die Endhalterungen, das Rückflusselement, der Polschuh, der erste Statorkern, der zweite Statorkern und/oder der Magnet festgelegt sind.Furthermore, a base plate made of a preferably non-magnetic material may be provided, on which the end holders, the reflux element, the pole piece, the first stator core, the second stator core and / or the magnet are fixed.
Als Magnet kommen nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entweder ein Elektromagnet oder ein Permanentmagnet in Betracht, vorzugsweise ein Dipolmagnet, dessen Polachse senkrecht zur Längsachse (A-A) ausgerichtet ist. Ein Elektromagnet bietet den Vorteil, dass der vom ihm erzeugte statische magnetische Fluss, der durch den ersten und zweiten Magnetkreis läuft, und somit auch die Amplitude des Scan-Winkels beliebig verändert werden kann, ohne dass der Treiberstrom durch die Antriebsspulen verändert werden müsste.As a magnet come according to a further advantageous embodiment of the invention, either an electromagnet or a permanent magnet into consideration, preferably a dipole magnet whose polar axis is oriented perpendicular to the longitudinal axis (A-A). An electromagnet has the advantage that the static magnetic flux generated by it, which passes through the first and second magnetic circuits, and thus also the amplitude of the scan angle, can be changed as desired without the drive current having to be changed by the drive coils.
Zur Erzeugung von im Wesentlichen symmetrischen Schwingungen das Biegeelement ist das Biegeelement bezüglich seines magnetisierbaren Abschnitts im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich liegt der Schwerpunkt des Biegeelements in vorteilhafter Weise symmetrisch im Bereich des magnetisierbaren Abschnitts des Biegeelements liegt.To generate substantially symmetrical vibrations, the bending element is the Bending element with respect to its magnetizable portion formed substantially symmetrical. Alternatively or additionally, the center of gravity of the bending element is advantageously located symmetrically in the region of the magnetizable section of the bending element.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der magnetisierbare Abschnitt als Zentralelement des Biegeelements ausgebildet, von dem zwei Verbindungsarme diametral ausgehen, die je mit einer, insbesondere trapezförmigen, Endlasche zum Fixieren des Biegeelements in den Endhalterungen verbunden sind. Eine derartige Ausgestaltung des Biegeelements zeichnet sich durch eine hohe Symmetrie und besonders gute Schwingungseigenschaften aus. According to a further advantageous embodiment of the invention, the magnetizable portion is formed as a central element of the bending element, from which two connecting arms go out diametrically, which are each connected to a, in particular trapezoidal, end tab for fixing the bending element in the Endhalterungen. Such a configuration of the bending element is characterized by a high degree of symmetry and particularly good vibration properties.
Ferner ist es in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass das Zentralelement flächig, insbesondere scheibenförmig ausgebildet ist und/oder die Verbindungsarme in Richtung der Statoren quer zur Längsrichtung des Biegeelements überragt. Desweiteren sind die Verbindungsarme bevorzugt dünn und im Querschnitt rechteckig ausgebildet, um insbesondere Drehschwingungen zu unterstützen.Furthermore, it is advantageously provided that the central element is flat, in particular disk-shaped and / or projects beyond the connecting arms in the direction of the stators transversely to the longitudinal direction of the bending element. Furthermore, the connecting arms are preferably thin and rectangular in cross-section, in particular to support torsional vibrations.
Die Form der Schwingungen kann i.A. komplex sein, da das Biegeelement abhängig von seiner Formgebung und dem verwendeten Material in mehr als nur einem Modus schwingen kann. So können sich harmonische Schwingungen des Grundmodus und Moden höherer Ordnung entwickeln. Insbesondere hängt etwa die Federkonstante des Biegeelements u.a. von seiner Länge, Breite und Dicke und dem verwendeten Material ab. Durch geeignete numerische Methoden zur Gestaltung des Biegeelements kann eine bestimmte harmonische Mode oder eine bestimmte Kombination von Moden begünstigt werden. Daher ist es nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, durch geeignete Formermittlung bzw. -gebung und/oder geeignete Materialwahl die Schwingungsformen bzw. Schwingungsmoden des Biegeelementes in Frequenz und Amplitude zu beeinflussen bzw. vorzubestimmen, beispielsweise die Amplitude der Torsionsschwingung erster Ordnung um mindestens eine Größenordnung über alle anderen Moden zu erhöhen. The shape of the vibrations may i.A. be complex, since the flexure can swing in more than one mode depending on its shape and the material used. Thus, harmonic vibrations of the fundamental mode and modes of higher order may develop. In particular, about the spring constant of the flexure u.a. from its length, width and thickness and the material used. By suitable numerical methods for the design of the bending element, a particular harmonic mode or a certain combination of modes can be favored. Therefore, it is provided according to a further advantageous embodiment of the invention to influence or predetermine the vibration modes or vibration modes of the flexure in frequency and amplitude, for example, the amplitude of the first order torsional vibration by at least by suitable shape determination and / or appropriate choice of material increase an order of magnitude over all other fashions.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Biegeelement zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material oder aus einem Faserverbundmaterial oder einer Kombination dieser Materialien. Bevorzugt sind das Zentralelement, die Schwingungsarme und die Endlaschen einstückig und/oder zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Allerdings ist es nicht erforderlich, dass alle Elemente des Biegeelements bzw. das gesamte Biegeelement aus ferromagnetischem Material bestehen bzw. magnetisch sind. Lediglich der der von dem ersten und zweiten Magnetkreis durchflossene Teilbereich bzw. das Zentralelement muss zumindest bereichsweise magnetisierbar sein bzw. aus ferromagnetischem Material bestehen. Alternativ ist es möglich, dass das Biegeelement aus einem Faserverbundmaterial besteht, in dem sich entweder ferromagnetisches Material befindet oder auf dem ferromagnetisches Material, beispielsweise in Form einer Beschichtung, aufgebracht ist. According to a further advantageous embodiment of the invention, the bending element consists at least partially of a ferromagnetic material or of a fiber composite material or a combination of these materials. Preferably, the central element, the vibration arms and the end tabs are made in one piece and / or at least partially made of a ferromagnetic material. However, it is not necessary that all elements of the bending element or the entire bending element consist of ferromagnetic material or are magnetic. Only that part of the area or center element which is traversed by the first and second magnetic circuits has to be magnetizable at least in regions or consist of ferromagnetic material. Alternatively, it is possible that the bending element consists of a fiber composite material in which either ferromagnetic material is located or on the ferromagnetic material, for example in the form of a coating applied.
Da die erfindungsgemäße Scan-Vorrichtung insbesondere als optischer Resonanzscanner ausgebildet ist, weist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Biegeelement im seinem magnetisierbaren Abschnitt und/oder auf dem Zentralelement, insbesondere auf seiner dem Magneten abgewandten Seite, wenigstens ein lichtreflektierendes und/oder lichtemittierendes und/oder lichtdetektierendes Element auf, beispielsweise eine polierte Oberfläche, einen Spiegel oder ein Beugungsgitter. Since the scanning device according to the invention is designed in particular as an optical resonance scanner, according to a further advantageous embodiment of the invention, the bending element in its magnetizable portion and / or on the central element, in particular on its side facing away from the magnet, at least one light-reflecting and / or light-emitting and or light-detecting element, for example a polished surface, a mirror or a diffraction grating.
Zur Erfassung der gesamten Schwingungsamplitude und/oder der Schwingungsfrequenz des oszillierenden Biegeelementes, ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, vorzugsweise oberhalb des Biegeelements, ein optisches Sensorsystem mit einer Lichtquelle und einem intensitäts- und/oder positionssensitiven Detektor vorgesehen. Von Bedeutung ist dabei, dass über das optische Sensorsystem die gesamte Schwingungsamplitude erfassbar ist und nicht nur ein Teilbereich, so dass die gesamte Amplitude mit einer entsprechenden Steuereinrichtung regelbar ist. Vorzugsweise sendet die Lichtquelle einen Lichtstrahl in Richtung des Zentralelements des Biegeelements aus, der von dort in Richtung des optischen Detektors reflektiert wird, wobei der Detektor in Abhängigkeit des Drehwinkels des Zentralelements die Modulation des reflektierten Lichtstrahls erfasst. Insbesondere ist das Sensorsystem dazu geeignet, die gesamte Schwingungsamplitude und die Schwingungsfrequenz sowie mögliche Verzerrungen der Schwingung, die etwa durch ein defektes Biegeelement verursacht werden können, zu erfassen. Zur Erfassung der gesamten Schwingungsamplitude liegt der Reflexionspunkt bevorzugt im Flächenschwerpunkt des Zentralelements.For detecting the entire oscillation amplitude and / or the oscillation frequency of the oscillating bending element, according to a further advantageous embodiment of the invention, preferably above the bending element, an optical sensor system with a light source and an intensity and / or position-sensitive detector is provided. It is important in this case that the entire oscillation amplitude can be detected via the optical sensor system and not just a partial area, so that the entire amplitude can be regulated with a corresponding control device. Preferably, the light source emits a light beam in the direction of the central element of the bending element, which is reflected from there in the direction of the optical detector, wherein the detector detects the modulation of the reflected light beam as a function of the rotation angle of the central element. In particular, the sensor system is suitable for detecting the entire oscillation amplitude and the oscillation frequency as well as possible distortions of the oscillation, which may be caused by a defective bending element, for example. To detect the total oscillation amplitude of the reflection point is preferably in the centroid of the central element.
Das Lichtquelle kann eine kohärente oder nicht-kohärente Lichtquelle sein, etwa eine LED (Light Emitting Diode) oder eine Laserdiode. Als Detektor ist etwa ein sogenanntes Position Sensitive Device (PSD), ein sogenanntes Charge Coupled Device (CCD), eine Anordnung von diskreten Photodioden oder dergleichen denkbar. The light source may be a coherent or non-coherent light source, such as an LED (Light Emitting Diode) or a laser diode. As a detector is about a so-called Position Sensitive Device (PSD), a so-called charge-coupled device (CCD), an array of discrete photodiodes or the like conceivable.
Zur variablen Regelung der vorzugsweise gesamten Schwingungsamplitude und/oder zur Stabilisierung der Schwingungsamplitude über einen weiten Temperaturbereich und/oder zur Maximierung der Auflösung der Schwingungsamplitude ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Steuereinrichtung vorgesehen, die mit dem optischen Sensorsystem und/oder der ersten und zweiten Antriebsspule wirkverbunden ist und über die die gesamte Schwingungsamplitude und/oder die Schwingungsfrequenz des Biegeelements steuer- und/oder regelbar ist. In vorteilhafter Weise kann der Scanner somit auch unter nicht-konstanten Umgebungseinflüssen betrieben werden. Ferner erübrigt die Regelung der Amplitude bei Verwendung des Scanners als Display-System den Einsatz einer teuren Zoom-Optik für den gescannten Lichtstrahl. In order to variably control the preferably entire oscillation amplitude and / or to stabilize the oscillation amplitude over a wide temperature range and / or to maximize the resolution of the oscillation amplitude, according to a further advantageous embodiment of the invention, a control device is provided which cooperates with the optical sensor system and / or the first and second drive coil is operatively connected and via which the entire oscillation amplitude and / or the oscillation frequency of the bending element can be controlled and / or regulated. Advantageously, the scanner can thus also be operated under non-constant environmental influences. Further, controlling the amplitude when using the scanner as a display system eliminates the need for expensive zoom optics for the scanned light beam.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.Other objects, advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the drawings. All described and / or illustrated features alone or in any meaningful combination form the subject matter of the present invention, also independent of their summary in the claims or their dependency.
Es zeigen:Show it:
Die
Bezugnehmend auf
Die Endlaschen
Desweiteren ist das Zentralelement
Das Zentralelement
Bezugnehmend auf
An den gegenüberliegenden Längsseiten des Magneten
Bevorzugt sind die erste und die zweite Antriebsspule
Folglich sind die Statorkerne
Erfindungsgemäß ist der Magnet
Dabei verursachen gleiche und entgegengesetzte Überlagerungen der magnetischen Flüsse Φ1, Φ2, ΦM eine Torsionskraft auf das Biegeelement
Das Rückflusselement
Der Magnet
Das Zentralelement
Vorzugsweise ist das Biegeelement
Demgegenüber bestehen der Polschuh
Bei der Verwendung von Lamellen-Stapeln aus ferromagnetischem Material beträgt die Dicke pro Lamelle vorzugsweise etwa 0,02mm bis etwa 0,15mm, während die gesamt Dicke des Stapels im Bereich von etwa 2mm bis etwa 25mm liegt. Es ist auch bevorzugt, dass die einzelnen Lamellen über extrem dünne Schichten aus einem isolierenden Material, beispielsweise Lack oder dergleichen, voneinander getrennt sind. Derartige Lamellen-Stapel aus ferromagnetischem Material verfügen über eine hohe Sättigungsflussdichte und minimieren die Ausbildung von Wirbelströmen.When using lamella stacks of ferromagnetic material, the thickness per lamella is preferably about 0.02 mm to about 0.15 mm, while the total thickness of the stack is in the range of about 2 mm to about 25 mm. It is also preferred that the individual lamellae are separated from one another by means of extremely thin layers of an insulating material, for example lacquer or the like. Such lamella stacks of ferromagnetic material have a high saturation flux density and minimize the formation of eddy currents.
Die übrigen Komponenten des Scanners
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß den
Die Lichtquelle
Bevorzugt liegt der Reflexionspunkt im Flächenschwerpunkt des Zentralelements
Desweiteren kann eine hier nicht dargestellte Steuereinrichtung vorgesehen sein, die mit dem optischen Sensorsystem
Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Scan-Vorrichtung
Anstelle eines Permanentmagneten kann der Magnet
Die vom Magneten
Da die Antriebsspulen
Wenn das Treibersignal seine maximale positive Amplitude erreicht hat, ist das in dem Statorkern
Geht das Treibersignal von seiner positiven Maximalamplitude in die negative Maximalamplitude über, kehren sich die Richtungen der spuleninduzierten magnetischen Flüsse Φ1, Φ2 um. Dadurch wird ein entgegengesetztes Drehmoment auf das Zentralelement
Statt an beide Antriebsspulen
Wie oben erläutert, teilen die magnetischen Kreise
In vorteilhafter Weise ist bei hohen Frequenzen des Treibersignals die Anzahl der Windungen in beiden Antriebsspulen
In sämtlichen Teilbereichen der magnetischen Kreise
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Drehmoment auf das Zentralelement
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Basisplatte baseplate
- 22
- Endhalterung end support
- 3, 43, 4
- Fixierplatte fixing
- 55
- erste Antriebsspule first drive coil
- 66
- zweite Antriebsspule second drive coil
- 77
- erster Statorkern first stator core
- 88th
- zweiter Statorkern second stator core
- 99
- Magnet magnet
- 1010
- Biegeelement flexure
- 1111
- Zentralelement central element
- 12, 1312, 13
- Endlasche end flap
- 14, 1514, 15
- Aussparungen recesses
- 1616
- Schraube screw
- 1717
- Gewindeloch threaded hole
- 18, 1918, 19
- Schwingungsarme Low vibration
- 2020
- Polschuh pole
- 21, 2221, 22
- freie Enden des Polschuhs free ends of the pole piece
- 2323
- erste Hälfte des Polschuhs first half of the pole piece
- 2424
- zweite Hälfte des Polschuhs second half of the pole piece
- 2525
- Polspitze pole tip
- 26, 2726, 27
- äußerer Rand des Biegeelements outer edge of the bending element
- 28, 2928, 29
- äußerer Rand des Zentralelements outer edge of the central element
- 30 30
- erster magnetischer Kreisfirst magnetic circuit
- 3131
- zweiter magnetischer Kreis second magnetic circuit
- 34, 3634, 36
- Pfeil arrow
- 4040
- optisches Sensorsystem optical sensor system
- 4141
- Aufspannwinkel des Sensorsystems Clamping angle of the sensor system
- 4242
- Detektor detector
- 4343
- Lichtquelle light source
- 5050
- Rückflusselement Reflux element
- 6060
- magnetisierbarer Teilbereich des Biegeelements magnetizable part of the bending element
- A-A A-A
- Längsrichtung des BiegeelementsLongitudinal direction of the bending element
- B-BB-B
- Symmetrieachse des Polschuhs Symmetry axis of the pole piece
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20131010 |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R157 | Lapse of ip right after 6 years |